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第七章 生物氧化
Biological Oxidation
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第一节 概 述
Introduction
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物质在生物体内进行的氧化称为 生物氧化, 主要指
糖, 脂肪, 蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐
步释放能量, 最终生成 CO2 和 H2O的过程 。 亦称, 组织氧
化,,, 组织呼吸, 或, 细胞氧化, 。
糖
脂肪
蛋白质
CO2和 H2O O2
能量
ADP+Pi
ATP
热能
一、生物氧化的概念
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* 生物氧化与体外氧化之相同点
? 生物氧化中物质的氧化方式有加氧, 脱氢,
失电子, 遵循氧化还原反应的一般规律 。
? 物质在体内外氧化时所消耗的氧量, 最终产
物 （ CO2,H2O） 和释放能量均相同 。
二、生物氧化的特点
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?是在细胞内温和的有水环境中 （ 体温,
pH接近中性 ）, 经一系列酶促反应逐步
缓慢进行, 能量逐步释放, 以 ATP形式
储存和转运, 有利于机体捕获能量, 提
高 ATP生成的效率 。
?物质的氧化方式是脱氢反应, 脱下的氢
在酶, 辅酶和电子传递系统参与下经一
系列传递与水结合生成 H2O；二氧化碳
（ CO2 ） 是由于糖, 脂类和蛋白质转变
成含羧基的化合物 （ 有机酸 ） 直接脱羧
或氧化脱羧产生 。
* 生物氧化与体外氧化之不同点
生物氧化 体外氧化
?在高温, 高压以及干燥的条件
下进行, 是剧烈的自由基反应,
能量是突发式释放的 。 产生的
能量以光与热的形式散发在环
境中 。
?产生的 CO2,H2O是由物质中
的碳和氢直接与氧结合生成 。
◆ 场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行 。
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生物氧化中 CO2生成的方式
1.?-单纯脱羧,
NH2
︱
RCHCOOH RCH2NH2 +CO2
氨基酸脱羧酶
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? 2.?-氧化脱羧,
目 录
? 3,?-氧化脱羧,
目 录
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
葡萄糖 脂肪酸 +甘油 氨基酸
乙酰 CoA
TCA
2H 呼吸链 H2O
ADP+Pi ATP CO2
* 生物氧化的一般过程
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三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位
1、自由能（ Gibbs,G）的概念,
是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下
能够用以作功的那一部分能量。
即生物体中进行生物氧化所提供的能。
恒温恒压条件下自由能变化公式为
Δ G =Δ H － T Δ S
意义,1)用其判断一个反应是否能发生；
2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能；
3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。
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Δ G与反应途径、反应机理无关。
任何反应，当,
Δ G＜ 0 反应可自发进行，为放能反应；
Δ G ＞ 0 反应不能自发进行，为吸能反应；
Δ G ＝ 0 体系处于平衡状态，反应可逆。
自由能和化学反应的关系
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生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与
氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为
氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能
（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）
叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以 E0’表示。 E0’
值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0’
值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原
过程中，电子总是从 E0’值较小的物质移向 E0’值较大的
物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受
体）。后者的 E0’值减去前者的 E0’值，叫做生化标准氧
化还原电位差，用 Δ E0’值表示。
2、自由能变化与氧化还原电位差的关系
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Δ G＝－ nF Δ E0’
n=转移电子差； F:法拉第常数（ 99.496kJ/V.mol)
标准自由能变化 Δ G0, 标准状况下，产物自由能与反应物
自由能之差。 单位,kJ/mol
Δ G’ ＝ Δ G0 － RTln[B]/[A]
Δ G0’,pH=7时，标准自由能的变化。
每一化学反应有其特定的 Δ G0’
Δ G0’的大小依赖于反应的平衡常数 K,
当 ΔG 0 ＝ 0时,
Δ G’＝ － RTln[B]/[A]= -2.303RT lgK
目 录
由此
1）可从 [产物 ]和 [反应物 ]或反应平衡常数，计算
出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。
2）自由能变化的可加性,
如反应序列,A→B→C→D
则：反应 A→D 自由能变化为,
Δ G0 A-D= Δ G0 A-B + Δ G0 B-C + Δ G0 C-D
只要 Δ G0总和＜ 0,则该途径可自发进行。
一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易
进行的反应驱动。
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第二节 ATP
目 录
一, ATP的形成与作用
目 录
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
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机械能 --运动
化学能 --合成
渗透能 --分泌吸收
电能 --生物电
热能 --体温
光能 --生物发光
ATP是生物系统能量交换的中心
荧火虫
ATP的特殊作用
二、生物能学
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一般情况下,ATP将磷酸基团转移给肌酸生成
磷酸肌酸将能量贮存起来。
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。
目 录
磷酸肌酸与 ATP的转换
磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）
—— 贮能作用
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OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
目 录
ATP的生成和利用
ATP
ADP
肌酸
磷酸
肌酸
氧化磷酸化
底物水平磷酸化 ~P
~P
机械能 (肌肉收缩 )
渗透能 (物质主动转运 )
化学能 (合成代谢 )
电能 (生物电 )
热能 (维持体温 )
生物体内能量的储存和利
用都以 ATP为中心。
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体内有些合成反应不直接利用 ATP供能，
而是由 ATP将高能磷酸键转给 UDP、
CDP和 GDP，生成 UTP,CTP,GTP，作
为能量的直接来源参与合成反应。
如 UTP用于糖原的合成,CTP用于磷脂
合成,GTP用于蛋白质合成等。
目 录
核苷二磷酸激酶的作用
ATP + UDP ADP + UTP
ATP + CDP ADP + CTP
ATP + GDP ADP + GTP
腺苷酸激酶的作用
ADP + ADP ATP + AMP
目 录
?高能化合物的共同特点是含有容易断裂的, 活泼键,,
水解时可释放大于 21KJ/mol的能量，常用符号 ?表示。
二,高能化合物
生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的
形式是通过高能化合物实现的。
1,高能化合物的概念,指含有高能键，在标准条件下
（ pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合
物。
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2,高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸
可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。
必须注意,并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。
?高能磷酸键
水解时释放的能量大于 21KJ/mol的磷酸酯键，常
表示为 ?P。
?高能磷酸化合物
含有高能磷酸键的化合物
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1）磷氧键型：如 ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等
2）磷氮键型：如磷酸肌酸等
3）硫酯键型：如脂酰 CoA等
4）甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸
也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征
进行分类。
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磷氧键型（ —O~P)
C O
C H
O
C H 2
O H
O P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
(1)酰基磷酸化合物
1,3-磷酸甘油酸
C H 3 C
O
O P
O
O
-
O
-
乙酰磷酸
10.1千卡 /摩尔 11.8千卡 /摩尔
目 录
酰基磷酸化合物
H 3 N + C
O
O P
O
O -
O -
氨甲酰磷酸
R C
O
O P
O
O
O
-
A
酰基腺苷酸
R C H C
O
O P
O
O
O
-
A
N
+
H 3
氨酰基腺苷酸
目 录
（ 2）焦磷酸化合物
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
7.3千卡 /摩尔
目 录
（ 3）烯醇式磷酸化合物
OP
O
OC O O H
C O
C H 2
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡 /摩尔
目 录
磷氮键型
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
10.3千卡 /摩尔 7.7千卡 /摩尔
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
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硫酯键型
O S
O
O
-
O C H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
N
N
N H 2
N
N
O P
O
O
-
3‘-磷酸腺苷 -5’-磷酸硫酸
R C
O
S C o A
酰基辅酶 A
目 录
甲硫键型
C O O
-
C H N H 3
+
C H
2
C H
2
S
+
H
3
C A
S-腺苷甲硫氨酸
目 录
目 录
第三节 呼吸链与氧化磷酸化
The Oxidation System of ATP Producing
目 录
?定义
在生物氧化过程中, 从代谢物脱下的成对氢原子
（ 2H） 通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递,
最终与氧结合生成水, 这一系列酶和辅酶组成的连锁传
递体系称为 呼吸链 (respiratory chain)又称 电子传递链
(electron transfer chain)。 呼吸链是 代谢物上氢原子被
脱氢酶激活脱落后, 经一系列电子传递体, 最后传递给
被激活的氧分子而生成水的过程 。
?组成,递氢体和电子传递体 （ 2H ? 2H+ + 2e）, 存在
于线粒体内膜上
一、呼吸链的定义
目 录
目 录
线粒体的结构
嵴
目 录
二、呼吸链的组成
呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体 (complex，
由相应酶和传递体共同组成 ) 和两种单独成分。
* Q(泛醌 ) 和 细胞色素 C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。
线粒体呼吸链复合体
复合体 酶名称
复合体 Ⅰ
复合体 Ⅱ
复合体 Ⅲ
复合体 Ⅳ
NADH - Q还原酶
琥珀酸 -
- 细胞色素 C
细胞色素 c 氧化酶
辅基
FMN, Fe - S
FAD, Fe - S
铁卟啉,Fe - S
铁卟啉,Cu
多肽链数
39
4
10
13
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Q还原酶
QH2
，
，
目 录
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
目 录
目 录
① 烟酰胺核苷酸类,
主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有 NAD+和
NADP+，大多脱氢酶以 NAD +为辅酶。
电子和氢离子一起被接受，还原型 CoⅠ 将氢移
到 NADH（黄素）脱氢酶上。
呼吸链中包括 5类电子载体,
目 录
NAD+和 NADP+的结构
R=H,NAD+; R=H2PO3:NADP+
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NAD+（ NADP+）和 NADH（ NADPH）相互转变
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
目 录
② 黄素脱氢酶类
黄素脱氢酶（ NADH脱氢酶） 是黄素蛋白，其辅
基 FMN（ FAD ）接受 2个氢原子成还原型的黄
素单核苷酸。
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FMN结构中含核黄素, 发挥功能的部位是
异咯嗪环, 氧化还原反应时不稳定中间产物是
FMN? 。
目 录
③ 铁硫蛋白类
NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的
硫原子结合，组合成铁 -硫中心 （ iron-sulfur
center)。借铁的变价（ Fe 3 + →Fe 2 + ）接受电子
并转给辅酶 Q。
铁 -硫中心：存在于微生物、动物组织中，在 NADH呼
吸链中有多个不同的铁 -硫中心。
NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统
（酶,FMN，铁 -硫中心）。
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铁硫蛋白中辅基铁硫簇 (Fe-S)含有等量铁原
子和硫原子, 其中铁原子可进行 Fe2+ ? Fe3++e
反应传递电子 。
? 表示无机硫
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铁硫蛋白
S S 无机硫 半胱氨酸硫
目 录
④ 辅酶 Q类
又称泛醌 （ ubiquinone,CoQ),是脂溶性化合物，可
接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇
（ CoQH2）。 所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋
白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类
之间起载体作用。
泛醇将电子传给细胞色素 bc1复合体,H+释出。
目 录
泛醌（辅酶 Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接
形成较长的疏水侧链（人 CoQ10），氧化还原反应
时可生成中间产物半醌型泛醌。
目 录
⑤ 细胞色素类（ cytochromes)
是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广
泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。
其作用靠铁的变价传递电子由 CoQ传到氧。
a,cytbc1复合体：含 ctyb, ctyc1及铁 -硫蛋白。
b,cyt氧化酶：含 ctya和 ctya3 。
除含铁还含铜（ Cu 2 + → Cu + ）
c,cytc：在 ctybc1复合体和 cty氧化酶间传递电子。
目 录
细 胞 色 素
细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电
子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。
目 录
目 录
传递体 作用
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （ NAD+） 递氢体
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP+） 递氢体
黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体
铁硫蛋白（ Fe-S） 单电子传递体
辅酶 Q 递氢体
细胞色素类 单电子传递体
目 录
复合体 Ⅰ, NADH-Q（泛醌）还原酶
? 功能, 将电子从 NADH传递给泛醌 (ubiquinone)
复合体 Ⅰ
NADH→ →CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2
由以上五种电子传递体组成 4个复合体和 2个单独成分。
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复合体 Ⅰ 的功能
NADH+H+
NAD+
FMN
FMNH2
还原型 Fe-S
氧化型 Fe-S
Q
QH2
目 录
复合体 Ⅱ,琥珀酸 -Q（泛醌）还原酶
? 功能, 将电子从琥珀酸传递给泛醌
复合体 Ⅱ
琥珀酸 → → CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3
目 录
目 录
复合体 Ⅲ, QH2（泛醌） -细胞色素 c还原酶
? 功能,将电子从泛醌传递给细胞色素 c
复合体 Ⅲ
QH2→ →Cyt c b562; b566; Fe-S; c1
目 录
目 录
复合体 Ⅳ, 细胞色素 c氧化酶
? 功能,将电子从细胞色素 c传递给氧
复合体 Ⅳ
还原型 Cyt c → → O2 CuA→a→a 3→ CuB
其中 Cyt a3 和 CuB形成的活性部位将电子交给 O2。
目 录
S H
2
S
N A D
+
N A D H
+ H
FM N H
2
Fe S
FM N
Fe S
C o Q
C o Q H
2
－
F e - S
F e - S
2 C y t - F e
2+
2 C y t - F e
3+
O
2
1
2
－
O 2-
2H
2H
2H
2H +
e
-
2
2 e
-
H
2
O
C oQ
C oQ H
2
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
b
c
1
a
a
3
c
H
2
OO
2-
－
1
O
2
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
2H +
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
F A D
F e *S
C yt b
2H
e
-
2
复合物 I
（ N A D H - 泛醌还原酶）
复合物 I I I
（泛醌－细胞色素 c 还原酶）
复合物 IV
（细胞色素 c 氧化酶）
复合物 II
（琥珀酸脱氢酶）
目 录
三,呼吸链中传递体的排列顺序
实验依据,
1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原
电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于
呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸
链的始端。
2）电子亲和力增加的顺序排列；
3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；
4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；
5）拆开和重组
6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态
确定顺序
目 录
氧 化 还 原 对 E o ' (V)
NAD
+
/NADH+H
+
- 0.3 2
F MN/ F MNH
2
- 0.3 0
F AD / F ADH
2
- 0.0 6
Cy t b Fe
3+
/F e
2+
0.0 4 （ 或 0.1 0 ）
Q
10
/Q
10
H
2
0.0 7
Cy t c
1
Fe
3+
/ F e
2+
0.2 2
Cy t c F e
3+
/F e
2+
0.2 5
Cy t a Fe
3 +
/ F e
2+
0.2 9
Cy t a
3
Fe
3 +
/ F e
2 +
0.5 5
1/2 O
2
/ H
2
O 0,82
呼 吸 链 中 各 种 氧 化 还 原 对 的 标 准 氧 化 还 原 电 位
目 录
呼吸链（电子传递链）
电子亲和力递增的顺序
ATP FADH
2
ATP
ATP
目 录
1,NADH氧化呼吸链
NADH → 复合体 Ⅰ →Q → 复合体 Ⅲ →Cyt c → 复合体 Ⅳ →O 2
糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部
分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮
戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。
2,琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 → 复合体 Ⅱ →Q → 复合体 Ⅲ →Cyt c → 复合体 Ⅳ →O 2
一般情况下琥珀酸,a-磷酸甘油氧化脱氢生成 FADH2作为这
条呼吸链的最初供体。
四、体内两条重要的 呼吸链
目 录
目 录
NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链
目 录
电子传递链
目 录
区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经 NAD+，
而直接传递给黄素酶
目 录
五、胞液中 NADH的氧化
?胞液中 NADH必须经一定 转运机制 进入线粒体，
再经呼吸链进行氧化磷酸化。
转运机制 主要有
α-磷酸甘油穿梭
(α-glycerophosphate shuttle)
苹果酸 -天冬氨酸穿梭
(malate-asparate shuttle)
目 录
1,α-磷酸甘油穿梭机制
目 录
NADH+H+
FADH2
NAD+
FAD
线粒体
内膜
线粒体
外膜
膜间隙 线粒体
基质
S-α-磷酸甘油
脱氢酶
呼吸链
磷酸二羟丙酮
PiCH 2O -
CH 2O H
C =O
PiCH 2O -
CH 2O H
C =O
α-磷酸甘油
PiCH 2O -
CH 2O H
C H O H
PiCH 2O -
CH 2O H
C H O H
M-α-磷酸甘油
脱氢酶
目 录
?-磷酸甘油穿梭系统
目 录
说明,
1） S-α-磷酸甘油 脱氢酶 和 M-α-磷酸甘油脱氢酶
是同工酶，前者的辅酶是 NAD+，后者的辅基是
FAD，因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底
氧化可产生 2个 ATP。
2）该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。
目 录
2,苹果酸 -天冬氨酸穿梭 机制
目 录
NADH
+H+
NAD+
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O H
H
NADH
+H+
NAD+
谷氨酸 -
天冬氨酸
转运体
苹果酸 -α-酮
戊二酸转运体
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O H
H
苹果酸
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O
草酰乙酸
- O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O -
O
- O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O -
O
α-酮戊二酸
-
O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O
-
H 3 N
+
H谷氨酸
S-苹果酸
脱氢酶
谷草转
氨酶
胞液
线
粒
体
内
膜
基质
呼吸链
-
O O C -C H 2 -C -C O O
-
H 3 N
+
H
天冬氨酸
-
O O C -C H 2 -C -C O O
-
H 3 N
+
H
-
O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O
-
H 3 N
+
H
M-苹果酸
脱氢酶
目 录
苹果酸穿梭系统
目 录
说明,
1） S-苹果酸脱氢酶和 M-苹果酸脱氢酶是同工酶，
均以 NAD+作为辅酶。
2）一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产
生 3个 ATP。
3）该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。
目 录
六、能量的生成和利用
ATP的生成,
主要由,ADP+pi+能量 → ATP
少数情况,AMP+ ppi+能量 → ATP
ATP是生命活动的直接供能物质，体内
能量的生成就是 ADP经磷酸化生成 ATP的过
程。能量贮存在 ATP的高能磷酸键中。体内
磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化
磷酸化。
目 录
1、底物水平磷酸化
定义,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是指
代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内
部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使 ADP磷酸
化生成 ATP的过程。
底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用
使 ADP生成 ATP。
底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，
分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生 ATP
目 录
2,氧化磷酸化,
1）定义,在生物氧化过程中，底物脱氢产生 NADH
和 FMNH2经 呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放
的自由能用于偶联 ADP磷酸化生成 ATP，这种氧化与
磷酸化相偶联的作用称为 氧化磷酸化 (oxidative
phosphorylation),又称为 偶联磷酸化。氧化磷酸
化 是 NADH 和 FMNH2通过氧化呼吸链的电子传递相联
系的合成 ATP的作用。即电子传递与 ATP形成的偶联
机制。
目 录
2)氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化偶联部位,复合体 Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ
主要根据自由能变化和 P/O比值确定
⊿ Go'=-nF⊿ Eo'
?ATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成 ATP才
能推动电子的传递，此为偶联。
? 呼吸链上磷酸化位点,
NAD—CoQ； Cytb—Cytc； Cyta—O2
目 录
?氧化磷酸化的大小用 P/O表示
?磷氧比（ P/O)是指每消耗 1mol原子氧时有多少摩尔
原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的 ATP。
?可间接测 ATP生成量,
NADH呼吸链,P/O =3
FADH呼吸链,P/O = 2
目 录
线 粒 体 离 体 实 验 测 得 的 一 些 底 物 的 P / O 比 值
底 物 呼 吸 链 的 组 成 P /O 比 值 可 能 生 成 的 A TP 数
β - 羟 丁 酸 N A D
+
→ 复 合 体 Ⅰ → C oQ → 复 合 体 Ⅲ 2,4 ～ 2.8 3
→ C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
琥 珀 酸 复 合 体 Ⅱ → C oQ → 复 合 体 Ⅲ 1.7 2
→ C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
抗 坏 血 酸 C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
0.88 1
细 胞 色 素 c ( Fe
2+
) 复 合 体 Ⅳ → O
2
0,61 - 0,68 1
目 录 ATP
ATP ATP
氧化磷酸化偶联部位
电子传递链自由能变化
区段
电位变化
( ⊿ E o ′ )
自由能变化
⊿ G o ′ = - nF ⊿ E o ′
能否生成 A TP
( ⊿ G o ′ 是否大于 30.5 K J)
Cyt aa
3
~O
2
0,53V 102,3K J/ mo l 能
NAD + ~Co Q 0.36V 69.5KJ/m ol 能
CoQ ~Cy t c 0.2 1V 4 0.5 KJ /m ol 能
目 录
氧化磷酸化偶联部位
目 录
3） 氧化磷酸化的偶联机理
化学偶联假说 1953年 E.C.Slater提出
构象偶联假说 1964年 P.D.Boyer提出
化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
由 P.Mitchell 1961年提出,电子经呼吸链传递时, 可将
质子 （ H+） 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧, 产生膜内
外质子电化学梯度储存能量 。 当质子顺浓度梯度回流时驱动
ADP与 Pi生成 ATP。
目 录
线粒体基质
线粒体膜
+ + + +
- - - -
H+
O2
H2O
H+
e-
ADP +
Pi ATP
化学渗透假说简单示意图
目 录
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothesis),
电子传递释出的能量用
于形成跨膜的质子（ H +
）梯度，此梯度用以驱
动 ATP的合成。在电子
传递和磷酸化之间起偶
联作用的是 H +电化学梯
度。
化
学
渗
透
假
说
目 录
目 录
目 录
证据,
1）线粒体膜上的 ATP合
酶（ ATP synthase)
是受质子动力推动的
酶。可催化 ATP水解
放能；又可从质子动
力获能，合成 ATP。
ATP合成酶
目 录
ATP合酶
由亲水部分 F1
（ α3β3γδε亚基 ）
和疏水部分 F0
（ a1b2c9～ 12亚基 ）
组成 。
ATP合酶结构模式图
目 录
当 H+顺浓度递度经 F0中 a亚基和 c亚基之间
回流时, γ亚基发生旋转, 3个 β亚基的构象发生
改变 。
ATP合酶的工作机制
目 录
2） H +泵分布在膜上,
NADH脱氢酶
细胞色素 bc1复合体
细胞色素氧化酶
在与这三个复合体有
关的自由能变化足以将
H +泵出,从而形成膜基
质与膜间隙的 H + 梯度 。
目 录
目 录
3、影响氧化磷酸化的因素
1,呼吸链电子传递抑制剂
是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递
的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸
链的某一环节，使呼吸链中断。因底物的氧
化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，
ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品
大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极
强的毒性。
根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类,
（一）生物氧化抑制剂
目 录
? 能够抑制第一位点的有阿米妥 （ 异戊巴比妥 ）,
粉蝶霉素 A,鱼藤酮等；
? 能够抑制第二位点的有 抗霉素 A和二巯基丙醇；
? 能够抑制第三位点的有 CO,H2S和 CN-,N3-。 其
中, CN-和 N3-主要抑制氧化型 Cytaa3-Fe3+,而 CO
和 H2S主要抑制还原型 Cytaa3-Fe2+。
目 录
鱼藤酮
杀粉蝶菌素（粉蝶霉素 A）
阿米妥（异戊巴比妥）
×
抗霉素 A
二巯基丙醇
×
CO,CN-,
N3-及 H2S
×
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
目 录
不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响
目 录
2,解偶联剂
不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是
抑制由 ADP+Pi生成 ATP的磷酸化作用，使氧
化产生的能量不能用于 ADP磷酸化。即使氧
化与磷酸化偶联过程脱离。
如：解偶联蛋白、双香豆素,2,4-二硝基
苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。
3,氧化磷酸化抑制剂
直接作用于 ATP合成酶复合体，对电子传递
及 ADP磷酸化均有抑制作用。
如：寡霉素
目 录
解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
Ⅲ Ⅰ Ⅱ
F
0
F1
Ⅳ
Cyt c
Q
胞液侧
基质侧
解偶联
蛋白
热能
H+
H+
ADP+Pi ATP
目 录
寡霉素 (oligomycin)
可阻止质子从 F0质子通道回流, 抑制 ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
目 录
（ 二 ） ADP,Pi与 ATP的调节作用
负反馈调节 。 当 ATP高时, ADP,AMP下降, 氧化磷酸化速
度减慢, NADH堆积, TCA循环速度减慢, ATP合成降低；
当 ATP低时, ADP,AMP升高, 氧化磷酸化速度加快, TCA
循环速度加快, ATP合成增加 。
ADP/ATP是限制氧化磷酸化速度的因素 。 通过 ATP浓度对氧
化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制 。
（ 三 ） 甲状腺激素 （ 激素的调节 ）
激活 Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加；
也可增强氧化磷酸化, 使 ATP合成增加 。
（ 四 ） 线粒体 DNA突变
与线粒体 DNA病及衰老有关 。
电子传递链及氧化
磷酸化系统概貌
ΔμH+ 跨膜
质子电化学
梯度； H+m
内膜基质侧
H+； H+c 内
膜胞液侧 H+
目 录
目 录
第四节
其他生物氧化体系
The Others Oxidation Enzyme Systems
目 录
一、需氧脱氢酶和氧化酶
受 氢 体 辅 酶 （ 辅 基 ） 产 物
不 需 氧 脱 氢 酶 辅 酶
需 氧 脱 氢 酶 O
2
FMN 或 FA D H
2
O
2
氧 化 酶 O
2
含 Cu H
2
O
受 氢 体 辅 酶 （ 辅 基 ） 产 物
不 需 氧 脱 氢 酶 辅 酶
需 氧 脱 氢 酶 或
氧 化 酶 含
目 录
二、过氧化物酶体中的酶类
（一）过氧化氢酶 (catalase)
又称触酶，其辅基含 4个血红素
2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶
目 录
（二）过氧化物酶 (perioxidase)
以血红素为辅基，催化 H2O2直接氧化
酚类或胺类化合物
R + H2O2 RO + H2O
RH2+ H2O2 R + 2H2O
过氧化物酶
过氧化物酶
目 录
反应氧族
超氧离子 (O2﹣ ),H2O2、羟自由基 (?OH)
的统称。
三、超氧化物歧化酶
2O2﹣ + 2H+ SOD H2O2 + O2
H2O + O2 过氧化氢酶
SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)
目 录
谷胱甘肽
过氧化物酶
H2O2
(ROOH)
H2O
(ROH+H2O)
2G –SH
G –S – S – G
NADP+
NADPH+H+
* 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤
谷胱甘
肽还原酶
含硒的谷胱甘肽过氧化物酶
目 录
四、微粒体中的酶类
（一）加单氧酶 (monoxygenase)
* 催化的反应,
RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O
故又称混合功能氧化酶 (mixed-function oxidase)
或羟化酶 (hydroxylase)。
上述反应需要 细胞色素 P450 (Cyt P450)参与。
目 录
目 录
（二）加双氧酶
此酶催化氧分子中的 2个氧原子加到底
物中带双键的 2个碳原子上。
O
N H 2
N
H
N H
O
C OO H
N H 2
C H O
例 如,
(O2)
色氨酸吡咯酶
第七章 生物氧化
Biological Oxidation
目 录
第一节 概 述
Introduction
目 录
物质在生物体内进行的氧化称为 生物氧化, 主要指
糖, 脂肪, 蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐
步释放能量, 最终生成 CO2 和 H2O的过程 。 亦称, 组织氧
化,,, 组织呼吸, 或, 细胞氧化, 。
糖
脂肪
蛋白质
CO2和 H2O O2
能量
ADP+Pi
ATP
热能
一、生物氧化的概念
目 录
* 生物氧化与体外氧化之相同点
? 生物氧化中物质的氧化方式有加氧, 脱氢,
失电子, 遵循氧化还原反应的一般规律 。
? 物质在体内外氧化时所消耗的氧量, 最终产
物 （ CO2,H2O） 和释放能量均相同 。
二、生物氧化的特点
目 录
?是在细胞内温和的有水环境中 （ 体温,
pH接近中性 ）, 经一系列酶促反应逐步
缓慢进行, 能量逐步释放, 以 ATP形式
储存和转运, 有利于机体捕获能量, 提
高 ATP生成的效率 。
?物质的氧化方式是脱氢反应, 脱下的氢
在酶, 辅酶和电子传递系统参与下经一
系列传递与水结合生成 H2O；二氧化碳
（ CO2 ） 是由于糖, 脂类和蛋白质转变
成含羧基的化合物 （ 有机酸 ） 直接脱羧
或氧化脱羧产生 。
* 生物氧化与体外氧化之不同点
生物氧化 体外氧化
?在高温, 高压以及干燥的条件
下进行, 是剧烈的自由基反应,
能量是突发式释放的 。 产生的
能量以光与热的形式散发在环
境中 。
?产生的 CO2,H2O是由物质中
的碳和氢直接与氧结合生成 。
◆ 场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行 。
目 录
生物氧化中 CO2生成的方式
1.?-单纯脱羧,
NH2
︱
RCHCOOH RCH2NH2 +CO2
氨基酸脱羧酶
目 录
? 2.?-氧化脱羧,
目 录
? 3,?-氧化脱羧,
目 录
糖原 三酯酰甘油 蛋白质
葡萄糖 脂肪酸 +甘油 氨基酸
乙酰 CoA
TCA
2H 呼吸链 H2O
ADP+Pi ATP CO2
* 生物氧化的一般过程
目 录
三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位
1、自由能（ Gibbs,G）的概念,
是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下
能够用以作功的那一部分能量。
即生物体中进行生物氧化所提供的能。
恒温恒压条件下自由能变化公式为
Δ G =Δ H － T Δ S
意义,1)用其判断一个反应是否能发生；
2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能；
3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。
目 录
Δ G与反应途径、反应机理无关。
任何反应，当,
Δ G＜ 0 反应可自发进行，为放能反应；
Δ G ＞ 0 反应不能自发进行，为吸能反应；
Δ G ＝ 0 体系处于平衡状态，反应可逆。
自由能和化学反应的关系
目 录
生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应，参与
氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态，称为
氧还对；而参与反应的每一氧还对转移电子的势能
（即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低）
叫做氧化还原电位，标准氧化还原电位以 E0’表示。 E0’
值越小，供出电子的倾向越强，即还原能力越强； E0’
值越大，接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原
过程中，电子总是从 E0’值较小的物质移向 E0’值较大的
物质，即从还原剂（电子供体）移向氧化剂（电子受
体）。后者的 E0’值减去前者的 E0’值，叫做生化标准氧
化还原电位差，用 Δ E0’值表示。
2、自由能变化与氧化还原电位差的关系
目 录
Δ G＝－ nF Δ E0’
n=转移电子差； F:法拉第常数（ 99.496kJ/V.mol)
标准自由能变化 Δ G0, 标准状况下，产物自由能与反应物
自由能之差。 单位,kJ/mol
Δ G’ ＝ Δ G0 － RTln[B]/[A]
Δ G0’,pH=7时，标准自由能的变化。
每一化学反应有其特定的 Δ G0’
Δ G0’的大小依赖于反应的平衡常数 K,
当 ΔG 0 ＝ 0时,
Δ G’＝ － RTln[B]/[A]= -2.303RT lgK
目 录
由此
1）可从 [产物 ]和 [反应物 ]或反应平衡常数，计算
出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。
2）自由能变化的可加性,
如反应序列,A→B→C→D
则：反应 A→D 自由能变化为,
Δ G0 A-D= Δ G0 A-B + Δ G0 B-C + Δ G0 C-D
只要 Δ G0总和＜ 0,则该途径可自发进行。
一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易
进行的反应驱动。
目 录
第二节 ATP
目 录
一, ATP的形成与作用
目 录
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
目 录
机械能 --运动
化学能 --合成
渗透能 --分泌吸收
电能 --生物电
热能 --体温
光能 --生物发光
ATP是生物系统能量交换的中心
荧火虫
ATP的特殊作用
二、生物能学
目 录
一般情况下,ATP将磷酸基团转移给肌酸生成
磷酸肌酸将能量贮存起来。
磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。
目 录
磷酸肌酸与 ATP的转换
磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）
—— 贮能作用
目 录
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
目 录
ATP的生成和利用
ATP
ADP
肌酸
磷酸
肌酸
氧化磷酸化
底物水平磷酸化 ~P
~P
机械能 (肌肉收缩 )
渗透能 (物质主动转运 )
化学能 (合成代谢 )
电能 (生物电 )
热能 (维持体温 )
生物体内能量的储存和利
用都以 ATP为中心。
目 录
体内有些合成反应不直接利用 ATP供能，
而是由 ATP将高能磷酸键转给 UDP、
CDP和 GDP，生成 UTP,CTP,GTP，作
为能量的直接来源参与合成反应。
如 UTP用于糖原的合成,CTP用于磷脂
合成,GTP用于蛋白质合成等。
目 录
核苷二磷酸激酶的作用
ATP + UDP ADP + UTP
ATP + CDP ADP + CTP
ATP + GDP ADP + GTP
腺苷酸激酶的作用
ADP + ADP ATP + AMP
目 录
?高能化合物的共同特点是含有容易断裂的, 活泼键,,
水解时可释放大于 21KJ/mol的能量，常用符号 ?表示。
二,高能化合物
生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的
形式是通过高能化合物实现的。
1,高能化合物的概念,指含有高能键，在标准条件下
（ pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合
物。
目 录
2,高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸
可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。
必须注意,并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。
?高能磷酸键
水解时释放的能量大于 21KJ/mol的磷酸酯键，常
表示为 ?P。
?高能磷酸化合物
含有高能磷酸键的化合物
目 录
1）磷氧键型：如 ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等
2）磷氮键型：如磷酸肌酸等
3）硫酯键型：如脂酰 CoA等
4）甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸
也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征
进行分类。
目 录
磷氧键型（ —O~P)
C O
C H
O
C H 2
O H
O P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
(1)酰基磷酸化合物
1,3-磷酸甘油酸
C H 3 C
O
O P
O
O
-
O
-
乙酰磷酸
10.1千卡 /摩尔 11.8千卡 /摩尔
目 录
酰基磷酸化合物
H 3 N + C
O
O P
O
O -
O -
氨甲酰磷酸
R C
O
O P
O
O
O
-
A
酰基腺苷酸
R C H C
O
O P
O
O
O
-
A
N
+
H 3
氨酰基腺苷酸
目 录
（ 2）焦磷酸化合物
O
-
P
O
O
-
N
N
N
N
N H
2
O
H
H
O H
H
O H
H
O C H
2
O
-
P
O
O
-
O
-
P
O
O
-
ATP（三磷酸腺苷）
O - P
O
O -
O P
O
O -
O -
焦磷酸
7.3千卡 /摩尔
目 录
（ 3）烯醇式磷酸化合物
OP
O
OC O O H
C O
C H 2
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡 /摩尔
目 录
磷氮键型
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C O O H
OP
O
O
N H
C N H
N C H 3
C H 2 C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
10.3千卡 /摩尔 7.7千卡 /摩尔
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
目 录
硫酯键型
O S
O
O
-
O C H 2
O
H
H
O H
H
O H
H
N
N
N H 2
N
N
O P
O
O
-
3‘-磷酸腺苷 -5’-磷酸硫酸
R C
O
S C o A
酰基辅酶 A
目 录
甲硫键型
C O O
-
C H N H 3
+
C H
2
C H
2
S
+
H
3
C A
S-腺苷甲硫氨酸
目 录
目 录
第三节 呼吸链与氧化磷酸化
The Oxidation System of ATP Producing
目 录
?定义
在生物氧化过程中, 从代谢物脱下的成对氢原子
（ 2H） 通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递,
最终与氧结合生成水, 这一系列酶和辅酶组成的连锁传
递体系称为 呼吸链 (respiratory chain)又称 电子传递链
(electron transfer chain)。 呼吸链是 代谢物上氢原子被
脱氢酶激活脱落后, 经一系列电子传递体, 最后传递给
被激活的氧分子而生成水的过程 。
?组成,递氢体和电子传递体 （ 2H ? 2H+ + 2e）, 存在
于线粒体内膜上
一、呼吸链的定义
目 录
目 录
线粒体的结构
嵴
目 录
二、呼吸链的组成
呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体 (complex，
由相应酶和传递体共同组成 ) 和两种单独成分。
* Q(泛醌 ) 和 细胞色素 C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。
线粒体呼吸链复合体
复合体 酶名称
复合体 Ⅰ
复合体 Ⅱ
复合体 Ⅲ
复合体 Ⅳ
NADH - Q还原酶
琥珀酸 -
- 细胞色素 C
细胞色素 c 氧化酶
辅基
FMN, Fe - S
FAD, Fe - S
铁卟啉,Fe - S
铁卟啉,Cu
多肽链数
39
4
10
13
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Q还原酶
QH2
，
，
目 录
呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置
目 录
目 录
① 烟酰胺核苷酸类,
主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有 NAD+和
NADP+，大多脱氢酶以 NAD +为辅酶。
电子和氢离子一起被接受，还原型 CoⅠ 将氢移
到 NADH（黄素）脱氢酶上。
呼吸链中包括 5类电子载体,
目 录
NAD+和 NADP+的结构
R=H,NAD+; R=H2PO3:NADP+
目 录
NAD+（ NADP+）和 NADH（ NADPH）相互转变
氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。
目 录
② 黄素脱氢酶类
黄素脱氢酶（ NADH脱氢酶） 是黄素蛋白，其辅
基 FMN（ FAD ）接受 2个氢原子成还原型的黄
素单核苷酸。
目 录
FMN结构中含核黄素, 发挥功能的部位是
异咯嗪环, 氧化还原反应时不稳定中间产物是
FMN? 。
目 录
③ 铁硫蛋白类
NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的
硫原子结合，组合成铁 -硫中心 （ iron-sulfur
center)。借铁的变价（ Fe 3 + →Fe 2 + ）接受电子
并转给辅酶 Q。
铁 -硫中心：存在于微生物、动物组织中，在 NADH呼
吸链中有多个不同的铁 -硫中心。
NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统
（酶,FMN，铁 -硫中心）。
目 录
铁硫蛋白中辅基铁硫簇 (Fe-S)含有等量铁原
子和硫原子, 其中铁原子可进行 Fe2+ ? Fe3++e
反应传递电子 。
? 表示无机硫
目 录
铁硫蛋白
S S 无机硫 半胱氨酸硫
目 录
④ 辅酶 Q类
又称泛醌 （ ubiquinone,CoQ),是脂溶性化合物，可
接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇
（ CoQH2）。 所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋
白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类
之间起载体作用。
泛醇将电子传给细胞色素 bc1复合体,H+释出。
目 录
泛醌（辅酶 Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接
形成较长的疏水侧链（人 CoQ10），氧化还原反应
时可生成中间产物半醌型泛醌。
目 录
⑤ 细胞色素类（ cytochromes)
是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广
泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。
其作用靠铁的变价传递电子由 CoQ传到氧。
a,cytbc1复合体：含 ctyb, ctyc1及铁 -硫蛋白。
b,cyt氧化酶：含 ctya和 ctya3 。
除含铁还含铜（ Cu 2 + → Cu + ）
c,cytc：在 ctybc1复合体和 cty氧化酶间传递电子。
目 录
细 胞 色 素
细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电
子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。
目 录
目 录
传递体 作用
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （ NAD+） 递氢体
尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（ NADP+） 递氢体
黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体
铁硫蛋白（ Fe-S） 单电子传递体
辅酶 Q 递氢体
细胞色素类 单电子传递体
目 录
复合体 Ⅰ, NADH-Q（泛醌）还原酶
? 功能, 将电子从 NADH传递给泛醌 (ubiquinone)
复合体 Ⅰ
NADH→ →CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2
由以上五种电子传递体组成 4个复合体和 2个单独成分。
目 录
复合体 Ⅰ 的功能
NADH+H+
NAD+
FMN
FMNH2
还原型 Fe-S
氧化型 Fe-S
Q
QH2
目 录
复合体 Ⅱ,琥珀酸 -Q（泛醌）还原酶
? 功能, 将电子从琥珀酸传递给泛醌
复合体 Ⅱ
琥珀酸 → → CoQ Fe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3
目 录
目 录
复合体 Ⅲ, QH2（泛醌） -细胞色素 c还原酶
? 功能,将电子从泛醌传递给细胞色素 c
复合体 Ⅲ
QH2→ →Cyt c b562; b566; Fe-S; c1
目 录
目 录
复合体 Ⅳ, 细胞色素 c氧化酶
? 功能,将电子从细胞色素 c传递给氧
复合体 Ⅳ
还原型 Cyt c → → O2 CuA→a→a 3→ CuB
其中 Cyt a3 和 CuB形成的活性部位将电子交给 O2。
目 录
S H
2
S
N A D
+
N A D H
+ H
FM N H
2
Fe S
FM N
Fe S
C o Q
C o Q H
2
－
F e - S
F e - S
2 C y t - F e
2+
2 C y t - F e
3+
O
2
1
2
－
O 2-
2H
2H
2H
2H +
e
-
2
2 e
-
H
2
O
C oQ
C oQ H
2
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
C y t - F e
3+
C y t - F e
2+
b
c
1
a
a
3
c
H
2
OO
2-
－
1
O
2
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
e
-
2
2H +
C H
2
C H
2
C O O H
C O O H
F A D
F e *S
C yt b
2H
e
-
2
复合物 I
（ N A D H - 泛醌还原酶）
复合物 I I I
（泛醌－细胞色素 c 还原酶）
复合物 IV
（细胞色素 c 氧化酶）
复合物 II
（琥珀酸脱氢酶）
目 录
三,呼吸链中传递体的排列顺序
实验依据,
1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原
电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于
呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸
链的始端。
2）电子亲和力增加的顺序排列；
3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；
4）利用电子传递抑制剂选择性阻断；
5）拆开和重组
6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态
确定顺序
目 录
氧 化 还 原 对 E o ' (V)
NAD
+
/NADH+H
+
- 0.3 2
F MN/ F MNH
2
- 0.3 0
F AD / F ADH
2
- 0.0 6
Cy t b Fe
3+
/F e
2+
0.0 4 （ 或 0.1 0 ）
Q
10
/Q
10
H
2
0.0 7
Cy t c
1
Fe
3+
/ F e
2+
0.2 2
Cy t c F e
3+
/F e
2+
0.2 5
Cy t a Fe
3 +
/ F e
2+
0.2 9
Cy t a
3
Fe
3 +
/ F e
2 +
0.5 5
1/2 O
2
/ H
2
O 0,82
呼 吸 链 中 各 种 氧 化 还 原 对 的 标 准 氧 化 还 原 电 位
目 录
呼吸链（电子传递链）
电子亲和力递增的顺序
ATP FADH
2
ATP
ATP
目 录
1,NADH氧化呼吸链
NADH → 复合体 Ⅰ →Q → 复合体 Ⅲ →Cyt c → 复合体 Ⅳ →O 2
糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部
分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮
戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。
2,琥珀酸氧化呼吸链
琥珀酸 → 复合体 Ⅱ →Q → 复合体 Ⅲ →Cyt c → 复合体 Ⅳ →O 2
一般情况下琥珀酸,a-磷酸甘油氧化脱氢生成 FADH2作为这
条呼吸链的最初供体。
四、体内两条重要的 呼吸链
目 录
目 录
NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链
目 录
电子传递链
目 录
区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经 NAD+，
而直接传递给黄素酶
目 录
五、胞液中 NADH的氧化
?胞液中 NADH必须经一定 转运机制 进入线粒体，
再经呼吸链进行氧化磷酸化。
转运机制 主要有
α-磷酸甘油穿梭
(α-glycerophosphate shuttle)
苹果酸 -天冬氨酸穿梭
(malate-asparate shuttle)
目 录
1,α-磷酸甘油穿梭机制
目 录
NADH+H+
FADH2
NAD+
FAD
线粒体
内膜
线粒体
外膜
膜间隙 线粒体
基质
S-α-磷酸甘油
脱氢酶
呼吸链
磷酸二羟丙酮
PiCH 2O -
CH 2O H
C =O
PiCH 2O -
CH 2O H
C =O
α-磷酸甘油
PiCH 2O -
CH 2O H
C H O H
PiCH 2O -
CH 2O H
C H O H
M-α-磷酸甘油
脱氢酶
目 录
?-磷酸甘油穿梭系统
目 录
说明,
1） S-α-磷酸甘油 脱氢酶 和 M-α-磷酸甘油脱氢酶
是同工酶，前者的辅酶是 NAD+，后者的辅基是
FAD，因此一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底
氧化可产生 2个 ATP。
2）该穿梭作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。
目 录
2,苹果酸 -天冬氨酸穿梭 机制
目 录
NADH
+H+
NAD+
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O H
H
NADH
+H+
NAD+
谷氨酸 -
天冬氨酸
转运体
苹果酸 -α-酮
戊二酸转运体
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O H
H
苹果酸
-O O C - C H 2 - C - C O O -
O
草酰乙酸
- O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O -
O
- O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O -
O
α-酮戊二酸
-
O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O
-
H 3 N
+
H谷氨酸
S-苹果酸
脱氢酶
谷草转
氨酶
胞液
线
粒
体
内
膜
基质
呼吸链
-
O O C -C H 2 -C -C O O
-
H 3 N
+
H
天冬氨酸
-
O O C -C H 2 -C -C O O
-
H 3 N
+
H
-
O O C - C H 2 - C H 2 - C - C O O
-
H 3 N
+
H
M-苹果酸
脱氢酶
目 录
苹果酸穿梭系统
目 录
说明,
1） S-苹果酸脱氢酶和 M-苹果酸脱氢酶是同工酶，
均以 NAD+作为辅酶。
2）一对氢经该穿梭作用进入呼吸链彻底氧化可产
生 3个 ATP。
3）该穿梭作用存在于肝脏心肌和肾脏中。
目 录
六、能量的生成和利用
ATP的生成,
主要由,ADP+pi+能量 → ATP
少数情况,AMP+ ppi+能量 → ATP
ATP是生命活动的直接供能物质，体内
能量的生成就是 ADP经磷酸化生成 ATP的过
程。能量贮存在 ATP的高能磷酸键中。体内
磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化
磷酸化。
目 录
1、底物水平磷酸化
定义,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是指
代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内
部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使 ADP磷酸
化生成 ATP的过程。
底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用
使 ADP生成 ATP。
底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，
分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生 ATP
目 录
2,氧化磷酸化,
1）定义,在生物氧化过程中，底物脱氢产生 NADH
和 FMNH2经 呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放
的自由能用于偶联 ADP磷酸化生成 ATP，这种氧化与
磷酸化相偶联的作用称为 氧化磷酸化 (oxidative
phosphorylation),又称为 偶联磷酸化。氧化磷酸
化 是 NADH 和 FMNH2通过氧化呼吸链的电子传递相联
系的合成 ATP的作用。即电子传递与 ATP形成的偶联
机制。
目 录
2)氧化磷酸化偶联部位
氧化磷酸化偶联部位,复合体 Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ
主要根据自由能变化和 P/O比值确定
⊿ Go'=-nF⊿ Eo'
?ATP形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成 ATP才
能推动电子的传递，此为偶联。
? 呼吸链上磷酸化位点,
NAD—CoQ； Cytb—Cytc； Cyta—O2
目 录
?氧化磷酸化的大小用 P/O表示
?磷氧比（ P/O)是指每消耗 1mol原子氧时有多少摩尔
原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的 ATP。
?可间接测 ATP生成量,
NADH呼吸链,P/O =3
FADH呼吸链,P/O = 2
目 录
线 粒 体 离 体 实 验 测 得 的 一 些 底 物 的 P / O 比 值
底 物 呼 吸 链 的 组 成 P /O 比 值 可 能 生 成 的 A TP 数
β - 羟 丁 酸 N A D
+
→ 复 合 体 Ⅰ → C oQ → 复 合 体 Ⅲ 2,4 ～ 2.8 3
→ C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
琥 珀 酸 复 合 体 Ⅱ → C oQ → 复 合 体 Ⅲ 1.7 2
→ C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
抗 坏 血 酸 C y t c → 复 合 体 Ⅳ → O
2
0.88 1
细 胞 色 素 c ( Fe
2+
) 复 合 体 Ⅳ → O
2
0,61 - 0,68 1
目 录 ATP
ATP ATP
氧化磷酸化偶联部位
电子传递链自由能变化
区段
电位变化
( ⊿ E o ′ )
自由能变化
⊿ G o ′ = - nF ⊿ E o ′
能否生成 A TP
( ⊿ G o ′ 是否大于 30.5 K J)
Cyt aa
3
~O
2
0,53V 102,3K J/ mo l 能
NAD + ~Co Q 0.36V 69.5KJ/m ol 能
CoQ ~Cy t c 0.2 1V 4 0.5 KJ /m ol 能
目 录
氧化磷酸化偶联部位
目 录
3） 氧化磷酸化的偶联机理
化学偶联假说 1953年 E.C.Slater提出
构象偶联假说 1964年 P.D.Boyer提出
化学渗透假说 (chemiosmotic hypothesis)
由 P.Mitchell 1961年提出,电子经呼吸链传递时, 可将
质子 （ H+） 从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧, 产生膜内
外质子电化学梯度储存能量 。 当质子顺浓度梯度回流时驱动
ADP与 Pi生成 ATP。
目 录
线粒体基质
线粒体膜
+ + + +
- - - -
H+
O2
H2O
H+
e-
ADP +
Pi ATP
化学渗透假说简单示意图
目 录
化学渗透假说
(chemiosmotic hypothesis),
电子传递释出的能量用
于形成跨膜的质子（ H +
）梯度，此梯度用以驱
动 ATP的合成。在电子
传递和磷酸化之间起偶
联作用的是 H +电化学梯
度。
化
学
渗
透
假
说
目 录
目 录
目 录
证据,
1）线粒体膜上的 ATP合
酶（ ATP synthase)
是受质子动力推动的
酶。可催化 ATP水解
放能；又可从质子动
力获能，合成 ATP。
ATP合成酶
目 录
ATP合酶
由亲水部分 F1
（ α3β3γδε亚基 ）
和疏水部分 F0
（ a1b2c9～ 12亚基 ）
组成 。
ATP合酶结构模式图
目 录
当 H+顺浓度递度经 F0中 a亚基和 c亚基之间
回流时, γ亚基发生旋转, 3个 β亚基的构象发生
改变 。
ATP合酶的工作机制
目 录
2） H +泵分布在膜上,
NADH脱氢酶
细胞色素 bc1复合体
细胞色素氧化酶
在与这三个复合体有
关的自由能变化足以将
H +泵出,从而形成膜基
质与膜间隙的 H + 梯度 。
目 录
目 录
3、影响氧化磷酸化的因素
1,呼吸链电子传递抑制剂
是能够专一阻断呼吸链中某些部位电子传递
的物质和化学药品。它的特点是可抑制呼吸
链的某一环节，使呼吸链中断。因底物的氧
化作用受阻，偶联的磷酸化作用无法进行，
ATP的生成随之减少。这类物质和化学药品
大多对人类或哺乳动物乃至需氧生物具有极
强的毒性。
根据在呼吸链上的作用部位，可分为三类,
（一）生物氧化抑制剂
目 录
? 能够抑制第一位点的有阿米妥 （ 异戊巴比妥 ）,
粉蝶霉素 A,鱼藤酮等；
? 能够抑制第二位点的有 抗霉素 A和二巯基丙醇；
? 能够抑制第三位点的有 CO,H2S和 CN-,N3-。 其
中, CN-和 N3-主要抑制氧化型 Cytaa3-Fe3+,而 CO
和 H2S主要抑制还原型 Cytaa3-Fe2+。
目 录
鱼藤酮
杀粉蝶菌素（粉蝶霉素 A）
阿米妥（异戊巴比妥）
×
抗霉素 A
二巯基丙醇
×
CO,CN-,
N3-及 H2S
×
各种呼吸链抑制剂的阻断位点
目 录
不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响
目 录
2,解偶联剂
不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，而是
抑制由 ADP+Pi生成 ATP的磷酸化作用，使氧
化产生的能量不能用于 ADP磷酸化。即使氧
化与磷酸化偶联过程脱离。
如：解偶联蛋白、双香豆素,2,4-二硝基
苯酚、缬氨霉素、短杆菌肽等。
3,氧化磷酸化抑制剂
直接作用于 ATP合成酶复合体，对电子传递
及 ADP磷酸化均有抑制作用。
如：寡霉素
目 录
解偶联蛋白作用机制（棕色脂肪组织线粒体）
Ⅲ Ⅰ Ⅱ
F
0
F1
Ⅳ
Cyt c
Q
胞液侧
基质侧
解偶联
蛋白
热能
H+
H+
ADP+Pi ATP
目 录
寡霉素 (oligomycin)
可阻止质子从 F0质子通道回流, 抑制 ATP生成
寡霉素
ATP合酶结构模式图
目 录
（ 二 ） ADP,Pi与 ATP的调节作用
负反馈调节 。 当 ATP高时, ADP,AMP下降, 氧化磷酸化速
度减慢, NADH堆积, TCA循环速度减慢, ATP合成降低；
当 ATP低时, ADP,AMP升高, 氧化磷酸化速度加快, TCA
循环速度加快, ATP合成增加 。
ADP/ATP是限制氧化磷酸化速度的因素 。 通过 ATP浓度对氧
化磷酸化速率进行调控的现象称为呼吸控制 。
（ 三 ） 甲状腺激素 （ 激素的调节 ）
激活 Na+,K+–ATP酶和解偶联蛋白基因表达均增加；
也可增强氧化磷酸化, 使 ATP合成增加 。
（ 四 ） 线粒体 DNA突变
与线粒体 DNA病及衰老有关 。
电子传递链及氧化
磷酸化系统概貌
ΔμH+ 跨膜
质子电化学
梯度； H+m
内膜基质侧
H+； H+c 内
膜胞液侧 H+
目 录
目 录
第四节
其他生物氧化体系
The Others Oxidation Enzyme Systems
目 录
一、需氧脱氢酶和氧化酶
受 氢 体 辅 酶 （ 辅 基 ） 产 物
不 需 氧 脱 氢 酶 辅 酶
需 氧 脱 氢 酶 O
2
FMN 或 FA D H
2
O
2
氧 化 酶 O
2
含 Cu H
2
O
受 氢 体 辅 酶 （ 辅 基 ） 产 物
不 需 氧 脱 氢 酶 辅 酶
需 氧 脱 氢 酶 或
氧 化 酶 含
目 录
二、过氧化物酶体中的酶类
（一）过氧化氢酶 (catalase)
又称触酶，其辅基含 4个血红素
2H2O2 2H2O + O2 过氧化氢酶
目 录
（二）过氧化物酶 (perioxidase)
以血红素为辅基，催化 H2O2直接氧化
酚类或胺类化合物
R + H2O2 RO + H2O
RH2+ H2O2 R + 2H2O
过氧化物酶
过氧化物酶
目 录
反应氧族
超氧离子 (O2﹣ ),H2O2、羟自由基 (?OH)
的统称。
三、超氧化物歧化酶
2O2﹣ + 2H+ SOD H2O2 + O2
H2O + O2 过氧化氢酶
SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase)
目 录
谷胱甘肽
过氧化物酶
H2O2
(ROOH)
H2O
(ROH+H2O)
2G –SH
G –S – S – G
NADP+
NADPH+H+
* 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤
谷胱甘
肽还原酶
含硒的谷胱甘肽过氧化物酶
目 录
四、微粒体中的酶类
（一）加单氧酶 (monoxygenase)
* 催化的反应,
RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O
故又称混合功能氧化酶 (mixed-function oxidase)
或羟化酶 (hydroxylase)。
上述反应需要 细胞色素 P450 (Cyt P450)参与。
目 录
目 录
（二）加双氧酶
此酶催化氧分子中的 2个氧原子加到底
物中带双键的 2个碳原子上。
O
N H 2
N
H
N H
O
C OO H
N H 2
C H O
例 如,
(O2)
色氨酸吡咯酶
